基本上无铅的铝合金组合物的制作方法

文档序号:16646275发布日期:2019-01-16 08:20阅读:308来源:国知局
基本上无铅的铝合金组合物的制作方法
本发明涉及基本上无铅的铝合金组合物,以及制造所述合金组合物的方法,同时实现其含铅对应物的机械加工性能。
背景技术
:历史上,含铅的铝合金诸如2011和6262(分别于1954年和1960年在铝协会注册)已用于要求苛刻的机械加工应用。这些应用需要合金能够以高的材料去除率进行加工,同时保持良好的机械加工表面光洁度,并且生产小而易于从工作区域移除以防止卡住机床的机器碎屑。含铅铝合金通过在材料中提供金属间相作为断屑槽满足了这一需求,从而实现了更快的材料去除率、小的机器碎屑和良好的机械加工表面。虽然铅确实提供了有效的解决方案,但它是一种重金属,认为是有害物质。为了减少这些合金可能造成的不利健康影响和环境风险,需要具有类似机械加工性能的替代的无铅的铝合金。多年来,人们一直在尝试开发免加工/无铅合金,包括合金2012、2111、6020和6040。这些合金使用铋和/或锡作为铅的替代品。虽然这些合金中的许多从加工碎屑尺寸和机械加工表面光洁度角度来看都是成功的,但是许多薄壁、复杂部件的生产商发现它们无法达到铅轴承合金材料的材料去除率,因为这些部件具有裂纹倾向。因此这些合金中的许多从市场上撤出,或者告诫客户限制某些应用的材料去除率。考虑到许多铅轴承铝合金的应用通过分销渠道销售,因此材料生产商不知道端部加工应用,所以这是有问题的。为了避免由于这种裂纹倾向而导致的潜在故障,仍然可用的无铅替代合金的可用性往往受到限制,并且往往对加工参数有限制,这些加工参数不能达到与含铅替代品相同水平的性能。因此,市场仍然需要一种符合含铅合金的机械加工特性的产品,同时也符合强度要求。例如,通常,含铅合金2011-t3的最小屈服强度为38ksi/262mpa。技术实现要素:本发明的基本上无铅的铝合金组合物提供了一种免加工产品,与其现有的含铅前驱体相比,在高材料去除率、加工碎屑尺寸和机械加工表面光洁度方面实现了相同或优越的加工性能。本发明的基本上无铅的铝合金组合物不易在严苛的材料去除条件下,在薄壁、复杂的加工中开裂。这是试图解决上述技术问题的其他发明中尚未实现的关键区别。对这种开裂条件敏感的材料通过要求实质上较低的材料去除率或完全不合格材料使加工性能无关紧要来确保最终部件的完整性。本发明的基本上无铅的铝合金组合物基本上满足或超过现有的免加工材料的材料性能要求。具体而言,在优选的实施例中,基本上无铅的铝合金组合物满足aa2011-t3的最低材料性能,包括极限拉伸强度≥45.0ksi/311mpa、屈服强度≥38.0ksi/262mpa、伸长率最小值≥10%。基本上无铅的铝合金组合物包括以下组分或基本上由以下组分组成(以重量百分比计):si<0.40;fe<0.70;cu5.0-6.0;zn<0.30;bi0.20-0.80;sn0.10-0.50,其余为铝和附带杂质。在优选的实施例中,基本上无铅的铝合金组合物维持bi/sn比小于1.32/1(以重量百分比计;1.32/1是bi-sn的共晶比)。除此之外,在t8状态下生产材料为加工裂纹敏感的加工应用提供了特定的优势,因为它们具有较高的材料去除率和薄壁几何形状。相反,因为部件几何形状更加坚固而对加工裂纹不敏感,但可从更高的材料去除率中受益的特定的加工应用可以在t6状态下生产。附图说明从下面结合附图对本发明的优选实施例的详细描述中,本发明的特征和优点将变得显而易见,其中:图1是根据本发明的各种示例中的表示生产的基本上无铅的铝合金组合物的操作过程顺序的示意图;图2是根据本发明的用于从基本上无铅铝合金组合物的碎屑尺寸角度评价机械加工性能的代表部件的概念图;图3是以碎屑/克测量的显示示例1中评估的合金/状态组合的机械加工性能图;图4是加工裂纹敏感性测试部件的概念图;图5显示了根据加工裂纹敏感性测试所作观察的图片,显示了所使用的四个分类;图6是显示示例1的加工裂纹敏感性测试结果图,以%表示,没有撕裂或爆裂;图7是以碎屑/克测量的显示示例2的机械加工性能结果图;图8是显示示例2的加工裂纹敏感性测试结果图,以%表示,没有起皱、撕裂或爆裂;图9是以碎屑/克测量的显示示例3的机械加工性能结果图;图10是显示示例3的机械加工性能结果图,对于直径2.000”的杆以碎屑/克测量;以及图11是bi-sn相图。具体实施方式基本上无铅的铝合金组合物包括以下组分或基本上由以下组分组成(以重量百分比计):si<0.40;fe<0.70;cu5.0-6.0;zn<0.30;bi0.20-0.80;sn0.10-0.50,其余为铝和附带杂质。在优选的实施例中,si、fe、cu、zn、bi和sn是有意添加到合金组合物中的唯一组分,使得任何其他材料仅作为附带杂质存在。所述附带杂质以小于1重量%,或小于0.5重量%,或小于0.1重量%,或小于0.05重量%的总量存在。在一个实施例中,基本上无铅的铝合金组合物维持bi/sn比小于1.32/1(以重量百分比计;1.32是bi-sn的共晶比)。优选地,本发明的基本上无铅的铝合金组合物基本上满足或超过现有的免加工材料的材料性能要求。特别地,在优选的实施例中,基本上无铅的铝合金组合物满足aa2011-t3的最低材料性能,包括极限拉伸强度≥45.0ksi/311mpa、屈服强度≥38.0ksi/262mpa、伸长率最小值≥10%。通常,短语“基本上无铅”定义为在制造铝合金组合物时不会有意添加铅。优选地,可以包含在铝合金组合物中的任何铅是杂质污染的结果。在优选的实施例中,本发明的铝合金组合物含有<0.05重量%的铅。在另一个实施例中,本发明的铝合金组合物含有<0.01重量%的铅。在另一个优选实施例中,本发明的铝合金组合物含有<0.005重量%的铅。在另一个优选的实施例中,本发明的铝合金组合物含有≤0.003重量%的铅。应该理解,以上针对基本上无铅的铝合金组合物所确定的范围包括所选元素的上限或下限,并且每个数值范围和在该范围内提供的部分可认为是上限或下限。例如,应该理解,在si<0.40的范围内,si的上限或下限可以选自0.30、0.25、0.20、0.15和0.10重量%。在一个实施例中,si的量在<0.20重量%的范围内。在另一个实施例中,si的量在<0.16重量%的范围内。在另一个实施例中,si的量为0.10-0.16重量%。例如,还应该理解,在fe<0.70的范围内,fe的上限或下限可以选自0.60、0.50、0.40、0.30、0.20和0.10重量%。在一个实施例中,fe的量为0.30-0.50重量%。在另一个实施例中,fe的量为0.33-0.44重量%。例如,还应该理解,在cu5.0-6.0的范围内,cu的上限或下限可以选自5.1、5.2、5.3、5.4、5.5、5.6、5.7、5.8和5.9。在一个实施例中,cu的量为5.1-5.8重量%。在另一个实施例中,cu的量为5.13-5.63重量%。例如,还应该理解,在zn<0.30的范围内,zn的上限或下限可以选自0.20、0.10、0.05、0.01和0.005重量%。在一个实施例中,zn的量为0.002-0.05。在另一个实施例中,zn的量为0.002-0.044。例如,还应该理解,在bi0.20-0.80的范围内,bi的上限或下限可以选自0.30、0.40、0.50、0.60和0.70。在一个实施例中,bi的量为0.40-0.80。在另一个实施例中,bi的量为0.20-0.40。例如,还应该理解,在sn0.10-0.50的范围内,sn的上限或下限可以选自0.20、0.30和0.40。在一个实施例中,sn的量为0.20-0.50。此外,例如,还应该理解,在bi/sn比小于1.32/1的范围内,bi/sn比的上限或下限可以选自1.30/1、1.25/1、1.20/1、1.15/1、1.10/1、1.05/1、1.00/1和0.80/1。在一个实施例中,bi/sn比可以为在1.32/1至0.80/1之间。还应该理解,以上确定的范围的任何和全部置换都包括在本发明的范围内。例如,基本上无铅的铝合金组合物可以基本上由以下组分组成(以重量百分比计):si<0.15;fe<0.50;cu5.1–5.7;zn<0.05;bi0.40-0.80;sn0.20-0.50,其余为铝和附带杂质,同时维持bi/sn比小于1.32/1(以重量百分比计;1.32/1是bi-sn的共晶比),或者bi/sn比为1.32/1至0.80/1,或者具有总量小于1重量%,或小于0.5重量%,或小于0.1重量%,或小于0.05重量%的附带杂质。除此之外,在t8状态下生产材料为加工裂纹敏感的加工应用提供了特定的优势,因为它们具有较高的材料去除率和薄壁几何形状。如此,可以生产免加工、加工裂纹不敏感的铝合金。铝合金产品已经均质化来改善重结晶以改善晶粒尺寸控制。在优选的实施例中,合金具有小于1.32/1的bi/sn比(重量百分比)。在又一个优选实施例中,合金具有1.32/1至0.8/1的bi/sn比(重量百分比)。在又一个优选实施例中,合金具有1.20/1至1/1的bi/sn比(重量百分比)。相反,因为部件几何形状更加坚固而对加工裂纹不敏感,但可从更高的材料去除率中受益的特定的加工应用可以在t6状态下生产。如此,可以生产优异的免加工铝合金材料,用于不需要加工裂纹不敏感特性的应用。铝合金产品已经均质化来改善重结晶以改善晶粒尺寸控制。在优选的实施例中,合金具有小于1.32/1的bi/sn比(重量百分比)。在又一个优选实施例中,合金具有1.32/1至0.8/1的bi/sn比(重量百分比)。在又一个优选实施例中,合金具有1.20/1至1/1的bi/sn比(重量百分比)。重要的是要注意,根据本申请的优选方法不包括超出本文公开的所描述的方法中固有的自然时效的任何自然时效。具体而言,本发明不包括合金组合物的任何t3或t4自然时效。用于制造本发明的合金组合物的优选方法与美国专利5,776,269和美国专利5,916,385中所述的方法类似,其内容通过引用明确并入本文。在一个实施例中,首先将合金浇铸成锭,并将锭在约900°至1170°f的温度下均质化至少1小时但通常不超过24小时,任选随后进行风扇冷却或空气冷却。在一个实施例中,锭在约1020°f浸泡约4小时,然后冷却至室温。接下来,在一个实施例中,将锭切割成较短的坯料,加热至约500°至720°f的温度,然后挤出成期望的形状。然而,应该理解,本领域的普通技术人员可以选择不同的时间和温度,并且仍然在本发明的范围内。在一个实施例中,然后对挤出的合金形状进行热机械处理以获得期望的机械和物理性能。例如,为了获得t8状态的机械和物理性能,固溶热处理在约930°至1030°f,优选约1000°f的温度下进行约0.5-2小时的时间,水骤冷至室温,冷加工,并在约250°至400°f的温度下人工时效约2至12小时。然而,应该理解的是,本领域的普通技术人员可以选择不同的时间、淬火条件和温度,并且仍然在本发明的范围内。在一个实施例中,为了获得t6511状态的t6的性能,在挤出之前,将坯料在约950°至1050°f的温度下均质化,然后挤出至接近期望的尺寸。然后使用任何已知的矫直操作(例如约1至3%的应力消除拉伸)矫直棒或条。为了进一步改善其物理和机械性能,该合金通过沉淀人工时效硬化进行热处理。通常,这可以在约250°至400°f的温度下进行约2至12小时的时间段完成。然而,应该理解的是,本领域的普通技术人员可以选择不同的时间、淬火条件和温度,并且仍然在本发明的范围内。以下示例说明了本发明的各个方面,而并不旨在限制本发明的范围。示例1生产的坯料直径为10英寸(254mm),目标组合物见表1。使用图1所示的工艺参数将这些坯料挤出并加工成t3、t4、t6和t8状态以生产直径为1.000英寸(25.4mm)的棒。坯料的铸造使用传统的直接冷硬铸造技术完成。6040合金变体在压力淬火(t6511状态)和单独的固溶热处理(t651状态)工艺中都生产。均质化、挤压、固溶热处理、淬火、拉延和人工时效操作均使用典型的工业实践完成。评估来自该材料的样品的拉伸性能和机械加工性能。拉伸性能结果示于表2中。将2011-t3的机械性能限制用作可接受的最低标准。这些结果表明除bisn-31-t451之外的所有材料均通过2011-t3的铝合金最低性能(屈服强度38.0ksi/262mpa;极限强度45.0ksi/311mpa;伸长率10%)。表1:示例1的组合物(重量百分比)合金铸造sifecumnmgzncrpbbisntizrbnibisn-0109690.110.365.220.000.000.0440.0200.0010.400.350.0200.0030.0010.00bisn-0309710.110.385.320.000.000.0030.0000.0020.490.270.0250.0020.0010.00bisn-3109730.120.425.400.000.000.0040.0000.0020.630.490.0190.0020.0010.00bisn-3109750.120.395.470.000.000.0030.0000.0020.600.420.0220.0020.0010.00bisn-3109770.110.405.400.000.000.0030.0000.0020.600.420.0210.0020.0010.00bisn-0409780.120.445.630.000.000.0030.0000.0010.850.500.0290.0020.0010.00bisn-0609790.130.405.160.000.000.0020.0000.0010.570.450.0240.0020.0000.002111-0609810.120.355.370.000.000.0030.0000.0010.640.200.0250.0020.0000.002111-3109830.120.335.130.000.000.0030.0000.0010.560.200.0230.0020.0010.00bisn-0209850.130.395.340.000.000.0090.0020.0010.670.600.0150.0020.0010.00snbi-cu09860.110.364.360.000.000.0030.0000.0010.590.410.0230.0020.0020.00snbi-ni09890.130.405.240.000.000.0030.0000.0050.580.420.0130.0020.0011.51ten604040-10.600.440.560.110.930.0900.0550.0060.170.890.0200.0020.0000.00lax604004450.720.290.430.070.950.1700.0780.0250.290.850.0360.0000.0000.00表2:示例1中评估的材料的机械性能机械加工性能测试是通过生产使用多个加工操作的代表性部件进行的。这部分在概念上在图2中描绘。通过保持所有加工操作的切割速度和进给速率恒定,材料之间的材料去除率保持不变。碎屑尺寸通过确定每克干净干燥碎屑的数量来评估。该评估结果显示在图3中,并与当前含铅免加工材料2011-t3进行比较,作为基准比较。这表明所测试的合金/状态组合与现有材料相比更好或比得上。在该基体中还测试了目前市场上可得到的无铅6040组合物。这些测试历史上表现不如2011-t3,并且这个测试验证了它们的低劣性能。为了测试材料在薄壁、严格的加工应用中不易开裂,开发了严格的加工测试。这涉及用0.969”(24.6mm)直径的麻花钻钻出1.000”(25.4mm)棒的中心,产生0.015”(0.38mm)的壁厚,如图4所示。rpm和进给速率保持恒定在1500rpm和0.035”(1.27mm)/旋转进给速率。一旦该测试完成,就如图5中所描绘的检查样本的条件。该测试是为了在具有薄壁、高材料去除率和高转矩应用的极端加工条件下测试材料对裂纹的敏感性而开发的。从碎屑尺寸和材料性能的角度来看,为了每种测试材料都具有可接受的性能,该测试至少要重复12次。在图6中记录了具有撕裂(或裂缝)和爆裂的部件的百分比并显示了结果。为了简化,bisn-31在此图中用不同的状态(t3、t4和t8)指定。这表明,2011(现有的含铅合金)以及无铅6040合金变体(但请注意,从碎屑尺寸角度看,这些合金变体的性能不佳)如预期的一样顺利通过。唯一通过的实验合金是bisn-31-t4,但不幸的是,这不符合拉伸性能要求。这些结果的分析表明,从加工裂纹敏感性的角度来看,具有较低的屈服与极限强度比的合金/状态组合性能更好。bisn-01至bisn-04组合物的更接近的分析表明,考虑到失败的严重程度,较低的bi+sn含量和较低的bi/sn比从加工裂纹敏感性角度来看是有益的。bi/sn比似乎相对于与组合物相关的性能输入变量具有更强的影响。这在表3中示出。注意,基于重量百分比的bi-sn共晶组合物的bi/sn比是1.32(如图11所示)。表3:合金bisn-01至bisn-04的加工裂纹敏感性结果的严重程度合金bi+snbi/sn起皱百分比撕裂百分比爆裂百分比bisn-010.751.1417%77%6%bisn-021.271.1221%50%29%bisn-030.761.817%13%80%bisn-041.351.7020%20%60%示例2铸造直径为10”(254mm)的坯料并使用图1所示的方法和表4中所列的组合物加工成1”(25.4mm)的棒。本次研究评估了拉延操作过程中的roa(面积减少)百分比,特别是在t3状态下。均质化效果也用铸造1110均质化并与非均质化铸造1108进行比较来评估。使用与示例1中所述相同的技术评估1”(25.4mm)杆的机械性能、机械加工性能和加工裂纹敏感性。表4:示例2的组合物和状态(重量百分比)机械性能在表5中示出。这表明所有组合物和状态组合都能够实现最低2011-t3目标机械性能(屈服强度38ksi/262mpa;极限强度45.0ksi/311mpa;伸长率10%)。mg的添加也成功地在t4状态下实现这些性能。表5:示例2中评估的材料的机械性能用图7所示的结果评价相对于碎屑尺寸的机械加工性能测试。这些结果表明,从机械加工性能角度看,较高的bi+sn组合物(bi39)表现更好,以碎屑/克测量,并且性能与现有2011-t3相当或更好。较低的bi+sn组合物(bi26)通常表现不如现有2011-t3,但具有可比性。它还表明,无论bi+sn水平如何,与t3状态的百分比减少面积相关的机械加工性能几乎没有区别。均质化的添加并不能改善机械加工性能,但对晶粒结构的研究表明相对于周边粗晶(棒外周上的再结晶晶粒尺寸)有显著改善。因此,对于需要改善表面外观的一些应用(例如需要阳极氧化的部件),使用均质化虽然对于机械加工性能不是必需的,但可能是有益的。无论合金组成成分如何,t651状态材料均表现良好,具有较小的碎屑尺寸。对于给定的合金,特别是bi26组合物,t8状态通常比t3对应物的表现要好。就加工裂纹敏感性测试而言,这些结果如图8所示,在这种情况下,表面上的起皱(按照图5)也认为是不可接受的。这些结果显示,虽然组合物bi26表现明显好于bi39(证实较高的bi+sn使材料更易于加工裂纹),这种状态具有更强烈的影响。要注意的是,在这个示例中所有的组合物都有小于1.32的bi/sn比。t8状态在这个测试中没有开裂,不管组合物如何,而t6样品表现非常差。t3状态都有一些失败,更高的含bi+sn材料具有显着较高的失败率。根据图5,bi26-t3组合物在撕裂或爆裂方面没有失败,因此bi+sn对性能具有显著影响。因此,这些结果表明,通过以t8状态生产材料,可以使用更高的bi+sn水平,从碎屑尺寸角度来看也实现了优异的机械加工性能。示例3铸造直径为10”(254mm)的坯料并使用图1所示的方法和表6中所列的组合物加工成1”(25.4mm)和2”(50.8mm)的t3和t8棒。使用示例1中描述的相同技术评价棒的机械性能、机械加工性能和加工裂纹敏感性。表6:示例3的组合物和状态(重量百分比)合金铸造sifecumnmgzncrpbbisntibi+snbi/snsn0111720.160.455.760.030.000.000.000.0020.250.210.0090.461.21sn0111730.140.365.320.030.020.000.000.0000.240.200.0100.441.20sn0211750.150.395.550.030.000.010.000.0020.350.210.0130.561.65sn0211760.150.365.250.030.020.000.060.0020.340.190.0100.531.83sn0311780.100.385.770.030.020.000.010.0000.260.330.0050.590.80sn0311820.160.395.370.030.010.000.010.0030.240.300.0090.550.81sn0411800.150.365.350.030.020.000.000.0020.350.350.0060.701.00sn0411840.140.375.250.040.020.000.000.0020.350.310.0110.661.15机械性能在表7中示出。这表明所有组合物和状态组合都能够实现最低2011-t3目标机械性能(屈服强度38ksi/262mpa;极限强度45.0ksi/311mpa;伸长率10%)。表7:示例3中评估的材料的机械性能使用1.000”(25.4mm)直径材料的图9中描绘的结果评估相对于碎屑尺寸的机械加工性能测试。结果表明,t8的性能优于含铅2011材料,而t3材料的性能仍然可以接受,但不如含铅2011材料。测试重复了2.000”(50.8mm)的直径,以确保材料在更宽的直径范围内加工良好。尽管在该测试中,2.000”(50.8mm)直径的结果比含铅2011现有材料略差,但是必须注意的是,从每克基础的碎屑来看,它比任何1.00”(25.4mm)直径的测试结果都好。因此可以得出结论,该材料在这些直径范围内表现良好。考虑到起皱、撕裂和爆裂(按照图5)作为失败,对1.000”(25.4mm)直径材料也进行加工裂纹敏感性测试。这个测试的结果如表8所示。表8:示例3中的直径为1.000”(25.4mm)的加工裂纹敏感性测试的结果的总结合金状态铸造lotidbi/sn通过率sn01t311724021.215%sn02t311764031.830%sn03t311784040.800%sn04t311804051.000%sn01t811727601.21100%sn02t811767611.8345%sn03t811787620.80100%sn04t811807631.0095%这些结果证实,对于具有苛刻的材料去除率和易于撕裂的薄壁部件几何形状的应用,在t8状态下处理材料并保持bi/sn比小于1.32实际上消除了这种失败机制。虽然已经根据优选实施例公开了本发明,但应该理解的是,在不脱离由所附权利要求限定的本发明的范围的情况下,可以对其做出许多附加的修改和变化。当前第1页12
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